طفرة في الكيمياء العضوية - طريقة مبتكرة لفحص التفاعلات الكيميائية

أظهر باحثون من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس طريقة لعزل جزيئين مختلفين معًا باستخدام ركيزة والتحكم في تفاعلهما عند تعرضهما للأشعة فوق البنفسجية 

يمتلك الكيميائيون الجيدون سلوكًا سلبيًا عدوانيًا، فهم يؤثرون على الجزيئات دون لمسها فعليًا. في محاولة للتحكم في المواد على مقياس نانومتر، أظهر باحثون من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس طريقة لعزل جزيئين مختلفين معًا باستخدام ركيزة والتحكم في تفاعلهما عند تعرضهما للأشعة فوق البنفسجية مع تلقي ملاحظات تفصيلية قبل التفاعل وبعده. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Science.

وقال الباحث الرئيسي بول إس. فايس، أستاذ الكيمياء: "هذه خطوة واحدة في قياس وفهم التفاعلات بين الضوء والجزيئات، والتي نأمل أن تؤدي في النهاية إلى تحويل أكثر كفاءة لضوء الشمس إلى طاقة كهربائية أو أشكال أخرى مفيدة من الطاقة". والكيمياء الحيوية في جامعة كاليفورنيا. "في عملنا، استخدمنا الطاقة المشتقة من الضوء من أجل بدء تفاعل كيميائي لم يكن ليحدث لو كانت الجزيئات حرة في التحرك في المحلول؛ لقد تم تثبيتها في مكانها من خلال تثبيتها على الركيزة ومن خلال الوسط غير النشط للجزيئات المحيطة بها.

يُعرف التحكم في الطريقة الدقيقة التي تتحد بها الجزيئات معًا لدراسة التفاعلات التي تحدث باسم الانتقائية الإقليمية تعتبر الانتقائية الإقليمية مهمة للغاية في التركيب الكيميائي، لأنها تسمح بتلقي منتج رئيسي محدد ومعروف، دون تفاعلات جانبية تضعف الكفاءة والاستخدام. إحدى طرق توجيه التفاعل للحصول على منتج واحد محدد هي عزل الجزيئات وجمعها معًا للحصول على تفاعلات انتقائية؛ وهذه هي الإستراتيجية التي تستخدمها الإنزيمات في نشاطها في العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية.

يوضح الباحث الرئيسي: "يمكن أيضًا استخدام المجهر النفقي الماسح الخاص الذي استخدمناه في هذه الدراسات لقياس امتصاص الضوء وقياس فصل الشحنات في الجزيئات المستخدمة في الخلايا الشمسية". "توفر لنا هذه الطريقة طريقة مبتكرة لتحسين نشاط هذه الجزيئات، مع التعاون مع الباحثين في مجال الكيمياء الاصطناعية."

تمكن الباحثون من عزل والتحكم في تفاعلات زوج من الجزيئات من خلال بناء هياكل نانوية مُعدة خصيصًا لإجبار الجزيئين فقط على البقاء في مكانهما. الجزيئات المستخدمة في البحث حساسة للضوء وتستخدم في الخلايا الشمسية العضوية. ويمكن استخدام أساليب مماثلة في دراسة متنوعة وموسعة للجزيئات. إن التحكم في كيفية ارتباط الجزيئات الموجودة في الخلايا الشمسية العضوية معًا قد يؤدي في النهاية إلى زيادة كفاءة الخلية. ومن أجل عزل الجزيئين وتوجيههما بالطريقة المرغوبة - وغير العادية - استخدم الباحثون فكرة مشابهة لتلك الموجودة في ألعاب الأطفال حيث يتعين عليهم مطابقة الأشكال مع أماكنها المناسبة.

أنشأ الباحث عيبًا، أو مكانًا مجوفًا، في طبقة أحادية ذاتية التجميع (SAM) - وهي طبقة واحدة من الجزيئات المرتكزة على سطح أملس - في هذه الحالة، الذهب. تم تصميم حجم وشكل العيب في الطبقة الأحادية بطريقة لا يتكيف معها سوى جزيئين عضويين متفاعلين محددين ويتراكمان مع بعضهما البعض في التكوين المطلوب حصريًا. من أجل توجيه تجميع الجزيئات في الطبقة الأحادية في الاتجاه المطلوب، يتم ربط ذرة الكبريت بأسفل الجزيئات حيث يتم ربط هذه الذرة بسهولة بسطح ذهبي.
"تتميز العملية المعتادة لهذا النوع من الكيمياء بخلط مجموعة من الجزيئات في محلول وانتظارها لتتشكل مع بعضها البعض، ولكن بطريقة شبه عشوائية، بحيث أن ثلاثة بالمائة فقط من الجزيئات قد تتفاعل بهذه الطريقة "، يوضح الباحث. "إن طريقتنا أكثر استهدافًا وكفاءة. فبدلاً من إجراء قياس واحد على آلاف الجزيئات، نقوم بإجراء العديد من القياسات على جزيئين فقط."

بعد عزل الجزيئات وتثبيتها على السطح، لا يزال يتعين تحفيزها بالإشعاع لبدء التفاعل. في هذه الحالة تم توفير الطاقة عن طريق الأشعة فوق البنفسجية التي بدأت بداية التفاعل. وتمكن الباحثون من التحقق من الترتيب الصحيح ومسار تفاعل الجزيئات باستخدام المجهر الخاص الذي تم تطويره في مختبرهم.

أخبار الدراسة